捕捉铜的分子“舞步” | 科技前线

铜是自然界中含量最高的金属元素之一，是化学领域中常用的催化剂。自发现以来，乌尔曼反应（Ullmann反应）作为最具代表性的铜催化反应之一，在有机合成中占据重要地位，成为药物研发和先进材料制备的基石反应之一。

日前，中国科学院上海有机化学研究所科研团队在铜催化乌尔曼反应机理研究方面取得进展。

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价态迷宫

乌尔曼反应以铜为催化剂，可连接碳原子或碳与氧、氮、硫等杂原子。然而，关于反应机理特别是铜在反应过程中氧化态的变化的争论从未停止。

传统观点认为，铜在+1和+3价态之间循环转换实现催化。但是，这一理论存在缺陷：铜在自然界中常以0、+1和+2价态稳定存在，而+3价铜物种极不稳定，难以被分离鉴定。铜在氧化还原过程中恰似“蒙面侠”，其关键步骤难以捕捉，使反应机理长期存在争议，但驱使着学界不断探寻决定性证据。

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按下反应“暂停键”

科研团队发现了乌尔曼反应的催化循环的复杂本质，并提供了迄今最清晰的机理证据。团队通过精确控制反应温度，成功按下“暂停键”，减缓了快速进行的反应过程，捕捉到传统条件下难以观测的瞬态中间体。

团队发现，铜的氧化态并非传统认知的Cu(I)与Cu(III)之间简单往返，而是遵循Cu(I)→Cu(III)→Cu(II)→Cu(III)→Cu(I)这一更精细的路径。这一发现解决了困扰学界的机理争议，更重构了科研人员对铜催化行为的认知。

以三氟甲基铜(I)与芳基碘化物的模型反应为例：在-20°C条件下，三氟甲基铜(I)与芳基碘化物反应生成铜(III)中间体，后者进一步与铜(I)物种发生归中反应，生成两个在-20°C下稳定的铜(II)物种；当温度略微升至-10°C时，铜(II)物种发生歧化反应，分解为铜(III)和铜(I)，可直接观测到长期推测的关键过渡态；最终，在室温条件下，铜(III)中间体经由还原消除完成碳碳键成键，并重新生成铜(I)，实现催化循环闭环。

▲乌尔曼型三氟甲基化反应中铜的氧化还原行为

为确认这些瞬态铜物种，团队进一步结合多种谱学技术开展研究：氟谱核磁共振解析铜物种的结构变化，电子顺磁共振谱检测铜(II)中间体，紫外-可见光谱追踪铜物种演变。多技术联用，结合关键铜(III)物种分离鉴定，构建出铜在催化过程中动态氧化还原行为的完整图谱，明确了其循环路径。

上述研究更新了关于乌尔曼反应的认识，挑战了过渡金属催化中氧化还原过程的传统观点，揭示了多步骤动态循环或普遍存在于在催化体系。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09627-2

来源：中国科学院上海有机化学研究所

责任编辑：侯茜